美軍將實(shí)兵測(cè)試鋼鐵俠
動(dòng)力裝甲離“抬手放激光 踢腳出導(dǎo)彈”還有多遠(yuǎn)
在近期上演的電影《復(fù)仇者聯(lián)盟》中，身披高科技鎧甲的鋼鐵俠托尼·史塔克上天入地，在“正義聯(lián)盟”中格外引人注目。而據(jù)美國(guó)媒體近日?qǐng)?bào)道，美國(guó)特種作戰(zhàn)司令部采購(gòu)主任吉姆·史密斯稱(chēng)將在一年內(nèi)開(kāi)始對(duì)“動(dòng)力裝甲”實(shí)兵測(cè)試。據(jù)稱(chēng)，這款裝置能讓特種部隊(duì)士兵成為活生生的鋼鐵俠。現(xiàn)實(shí)版“鋼鐵俠”真能實(shí)現(xiàn)嗎？它具備怎樣的威力？
追根
溯源
動(dòng)力裝甲最早出現(xiàn)在科幻小說(shuō)中
美軍即將測(cè)試的“動(dòng)力裝甲”，簡(jiǎn)單說(shuō)就是一套特制“裝甲外衣”。穿在身上，可令士兵獲得各種強(qiáng)大戰(zhàn)斗力，如更強(qiáng)的防御力、機(jī)動(dòng)力、更靈敏的信息獲取能力等等。
最早的動(dòng)力裝甲，出現(xiàn)在1959年的科幻小說(shuō)《星船傘兵》中。這套具備動(dòng)作同步式驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)與核生化防護(hù)系統(tǒng)的動(dòng)力服，外殼覆以輕合金，能有效地防護(hù)輕兵器或炸彈破片的攻擊。由于能同步運(yùn)動(dòng)再加上動(dòng)力增幅，大幅地提升了士兵的防護(hù)力、運(yùn)動(dòng)能力與生存性。
根據(jù)小說(shuō)中的描述：“動(dòng)力服能給我們更敏銳的眼睛，更機(jī)警的耳朵，更強(qiáng)壯的后背以攜帶沉重武器和彈藥，更強(qiáng)大的火力，更持久的忍耐力，還令我們更不容易受傷。”
這種讓人入迷的設(shè)定，很快被許多后續(xù)的游戲、小說(shuō)和影視所吸取，成為科幻戰(zhàn)場(chǎng)上的明星。而其中最著名的，當(dāng)然就是鋼鐵俠史塔克。
值得一提的是，動(dòng)力裝甲和機(jī)器人完全不同，它是由真人穿戴高科技裝置，而不是電腦AI操控的機(jī)器人。動(dòng)力裝甲與常見(jiàn)的“人形兵器”也有很大區(qū)別，簡(jiǎn)單說(shuō)，后者是由人采用通常的方式(如按鍵、操縱桿等)操控武器作戰(zhàn)，而前者則是機(jī)器附著于人，跟隨人的動(dòng)作而動(dòng)作。譬如美國(guó)動(dòng)畫(huà)片《太空堡壘》中，第一階段地球方面的變形戰(zhàn)斗機(jī)屬于“人形兵器”，而在第二階段破獲外星人技術(shù)后發(fā)展的通過(guò)操縱員神經(jīng)直接映射的機(jī)甲動(dòng)作，則可以歸為“動(dòng)力裝甲”。
動(dòng)力裝甲的體形差異也很大。如鋼鐵俠史塔克的裝甲，穿上后只是略顯粗壯魁梧；《星船傘兵》中的動(dòng)力裝甲，使用者穿著后身高超過(guò)2米，全備重量將近1噸；而《太空堡壘》中的機(jī)器人形裝甲更是高達(dá)數(shù)十米，重達(dá)上百?lài)崱?/div>
神兵
概念
裝甲最大挑戰(zhàn)——傳感系統(tǒng)
現(xiàn)實(shí)中的動(dòng)力裝甲，或者說(shuō)在未來(lái)一段時(shí)間可以期待的動(dòng)力裝甲，還做不到如小說(shuō)、影視中那樣夸張，不過(guò)從實(shí)現(xiàn)功能來(lái)說(shuō)，還是大同小異。
首先，動(dòng)力裝甲能通過(guò)機(jī)械增強(qiáng)士兵的肢體能力。士兵一只手費(fèi)盡力氣只能提起幾十千克的物品，而通過(guò)動(dòng)力裝甲的機(jī)械力，能讓他單手提起上百千克甚至幾百千克的重物。其次，通過(guò)動(dòng)力裝甲遮蓋士兵的肢體皮膚，形成防護(hù)力，可以擋住傷害士兵的彈片和沖擊波、熱浪等。此外，動(dòng)力裝甲還能增強(qiáng)士兵的信息探查能力和攻擊力。而要讓士兵能夠靈活操控這種裝甲，使得裝甲能跟隨士兵的動(dòng)作產(chǎn)生反應(yīng)，則需要有足夠精密的傳感系統(tǒng)。這才是整個(gè)裝甲項(xiàng)目最大的挑戰(zhàn)。
有趣的是，真實(shí)世界中對(duì)動(dòng)力裝甲的研究，幾乎是緊跟著文藝領(lǐng)域進(jìn)行的。早在1960年，也就是《星船傘兵》出版后的一年，美國(guó)通用電氣就開(kāi)始了類(lèi)似的研究。他們最早研究的是一只機(jī)械手臂，后來(lái)擴(kuò)展為全身系統(tǒng)。這個(gè)項(xiàng)目被稱(chēng)為Hardiman，可以實(shí)現(xiàn)拎起120千克的重物和平常人拎起5千克重物一樣輕松。這個(gè)項(xiàng)目在上世紀(jì)60年代中期取得了一定的進(jìn)展。
此后，其他一些公司陸續(xù)進(jìn)行了相關(guān)研究。麻省理工學(xué)院從1978年開(kāi)始研發(fā)，Sarcos公司在1983年開(kāi)始研發(fā)XOS項(xiàng)目。2000年，XOS項(xiàng)目被美國(guó)國(guó)防部研究計(jì)劃署選中，打算將其應(yīng)用在軍隊(duì)中。后來(lái)Sarcos公司被美國(guó)著名軍火商雷神收購(gòu)。美國(guó)國(guó)防部研究計(jì)劃署投資數(shù)千萬(wàn)美元，為地面部隊(duì)開(kāi)發(fā)外骨骼套裝。這種外骨骼又被叫作“戰(zhàn)術(shù)突擊輕型特種兵服裝”，不過(guò)美軍對(duì)其研發(fā)進(jìn)度估計(jì)有些落后，原本他們計(jì)劃在2018年就能投入使用。
這次美國(guó)媒體報(bào)道的動(dòng)力裝甲包括一層內(nèi)襯、一層外骨骼和一層裝甲。其中，裝甲負(fù)責(zé)保護(hù)步兵，外骨骼負(fù)責(zé)提升步兵力量，內(nèi)襯則是傳導(dǎo)步兵的身體動(dòng)作。此外，還有一個(gè)復(fù)雜的頭盔系統(tǒng)，內(nèi)置情況傳感系統(tǒng)和通信系統(tǒng)。
刀槍
不入
裝甲防護(hù)相對(duì)容易實(shí)現(xiàn)
既然稱(chēng)為“裝甲”，大家的第一反應(yīng)當(dāng)然是保護(hù)士兵被殺傷的防護(hù)力。鋼鐵俠影片中，史塔克穿上鎧甲后，別說(shuō)普通的槍炮難以將其傷到，面對(duì)外星人的超能力攻擊也能支撐不少回合。
現(xiàn)實(shí)設(shè)計(jì)中，動(dòng)力裝甲的幾大要素里面，防護(hù)力其實(shí)是相對(duì)容易實(shí)現(xiàn)的。因?yàn)楝F(xiàn)在的個(gè)人防護(hù)技術(shù)已經(jīng)比較成熟。較為先進(jìn)的防彈衣是軟硬復(fù)合型，一般外部是金屬、陶瓷片、玻璃鋼等硬質(zhì)材料抵擋彈片，內(nèi)襯用凱夫拉、超高分子量聚乙烯纖維等減緩沖擊。對(duì)于一般的彈頭、彈片殺傷，防彈衣的強(qiáng)化很簡(jiǎn)單，就是用更多的層數(shù)和厚度來(lái)實(shí)現(xiàn)，換句話說(shuō)就是一層不夠上兩層，十層不夠上二十層，總能達(dá)到預(yù)期的防御目的。
但是，對(duì)于普通士兵來(lái)說(shuō)，防彈衣當(dāng)然不能無(wú)限增厚。因?yàn)榇┑锰?，?huì)嚴(yán)重消耗士兵的體力和機(jī)動(dòng)力。比如一件凱夫拉防彈背心就有好幾千克重，穿上后士兵承受的壓力很大。但動(dòng)力裝甲卻獨(dú)具優(yōu)勢(shì)。因?yàn)閯?dòng)力裝甲本身具備動(dòng)力系統(tǒng)和外骨骼，穿戴上動(dòng)力裝甲的士兵，負(fù)重能力大大超過(guò)普通步兵。5千克或者10千克的防彈衣對(duì)普通士兵是不小的負(fù)擔(dān)，但一整套動(dòng)力裝甲卻可能有上百千克乃至數(shù)百公斤的分量。這種情況下，稍微花費(fèi)一些重量在裝甲防護(hù)上根本不是大問(wèn)題，系統(tǒng)動(dòng)力和外骨骼搬動(dòng)這些分量也輕而易舉。這就使得現(xiàn)實(shí)版“鋼鐵俠”們能夠輕易地獲得遠(yuǎn)勝于普通士兵的防護(hù)力。
從目前公布的照片來(lái)看，美軍動(dòng)力裝甲在防御上，可能是以鈦合金作為外部防御，內(nèi)部以其他先進(jìn)材料襯底。其厚度和覆蓋面積肯定遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)普通的防彈背心，為士兵提供全方位的防護(hù)。
不過(guò)，對(duì)于更先進(jìn)的一些防御模塊，如主動(dòng)防御裝甲等，估計(jì)短期內(nèi)不可能采用。一則，這些技術(shù)常用在裝甲車(chē)輛上，其小型化未必成熟，系統(tǒng)本身對(duì)于能源、彈藥等的要求較高。二則，主動(dòng)防御可能給本身和鄰近的友軍單位帶來(lái)?yè)p傷，對(duì)于裝甲車(chē)輛這種損傷可以接受，但對(duì)步兵而言這種損傷卻可能是致命的。
拔山
蓋世
外骨骼動(dòng)力是核心技術(shù)
動(dòng)力裝甲更為核心的技術(shù)是外骨骼。我們可以把外骨骼理解為一個(gè)機(jī)器人，它緊貼著士兵的身體，并且模仿士兵的動(dòng)作。這樣，當(dāng)士兵需要舉起重物時(shí)，實(shí)際上是模仿他的機(jī)器人在舉起。外骨骼不但使士兵能夠攜帶更多武器和軍需品，也能使士兵穿上較重的防護(hù)設(shè)備，增強(qiáng)裝甲防護(hù)力。可以說(shuō)，對(duì)于這一套肯定會(huì)很沉重的動(dòng)力裝甲而言，外骨骼是一切的基礎(chǔ)。20世紀(jì)60年代，通用電氣公司開(kāi)發(fā)的Hardiman，首先就是一套外骨骼系統(tǒng)。
對(duì)外骨骼的研發(fā)而言，重點(diǎn)不是外骨骼能有多大的力量，畢竟比起人力來(lái)說(shuō)，機(jī)械力是可以輕易超越十倍、百倍的。實(shí)現(xiàn)外骨骼的難度，主要在于要選擇合適的構(gòu)造材料，既堅(jiān)韌又要有彈性，足以用不太夸張的重量支撐整個(gè)系統(tǒng)；要實(shí)現(xiàn)外骨骼系統(tǒng)在機(jī)械性能方面的靈活，帶有能夠彎曲的關(guān)節(jié)，使得其可以與士兵做到相同的動(dòng)作。最后，還要實(shí)現(xiàn)對(duì)外骨骼有效的控制，使士兵穿上外骨骼后能夠正常活動(dòng)，促使機(jī)器順暢移動(dòng)。
基本上，制造外骨骼就和制造仿真機(jī)器人一樣，唯一不同的是前者由穿戴的士兵控制，后者由AI自行操控。
在外骨骼傳動(dòng)的研究中，美國(guó)科學(xué)家通過(guò)人體上幾個(gè)接觸點(diǎn)的信息反饋，使得外骨骼的AI電腦理解操作者的動(dòng)作意圖，再配合行動(dòng)。為此，系統(tǒng)要包含微型傳動(dòng)裝置和壓力感應(yīng)器等，通過(guò)液壓或電傳系統(tǒng)產(chǎn)生聯(lián)系。
這些感應(yīng)器，以每秒幾百次甚至幾千次的速度，把測(cè)量到的數(shù)據(jù)傳給中央處理器，然后由中央處理器經(jīng)過(guò)緊張計(jì)算，判斷操作者的意圖，并根據(jù)結(jié)果進(jìn)行模仿，指揮每個(gè)關(guān)節(jié)內(nèi)的每條人工肌肉如何運(yùn)動(dòng)。
在實(shí)驗(yàn)中，操作員伸手從架子上拉下杠鈴，手上的感應(yīng)器立刻檢測(cè)到變化，并啟動(dòng)外骨骼。在外骨骼系統(tǒng)的運(yùn)轉(zhuǎn)下，操作員輕易地將100磅的杠鈴舉起了數(shù)十次，而自身的手臂肌肉只承受了很輕微的壓力，體力消耗很低。
項(xiàng)目負(fù)責(zé)人詹姆斯·米勒上校透露，目前最大的困難正是在于外骨骼。當(dāng)前的外骨骼系統(tǒng)還存在很多問(wèn)題。其原型機(jī)由800個(gè)部件構(gòu)成，大量使用碳纖維塑料，但是價(jià)格過(guò)于昂貴，而且不能滿足“粗暴”操作的需要。他們下一步可能會(huì)用鈦合金來(lái)制造外骨骼。
了如
指掌
信息與通信系統(tǒng)較為成熟
現(xiàn)代鋼鐵俠中還有一些較為成熟的子系統(tǒng)，例如信息與通信系統(tǒng)以及與之適應(yīng)的內(nèi)襯系統(tǒng)。畢竟，戰(zhàn)場(chǎng)信息傳輸和網(wǎng)絡(luò)化平臺(tái)是美軍已經(jīng)研究了數(shù)十年的系統(tǒng)，技術(shù)比較成熟。在具體應(yīng)用中，如同防彈衣一樣，通常由于體積和重量的約束攜帶不便，制約信息設(shè)備的廣泛和深入使用。而在動(dòng)力裝甲中，由于外骨骼令士兵負(fù)重能力提高了許多倍，自然也可以承載更為全面和完善的信息與通信系統(tǒng)。
動(dòng)力裝甲的內(nèi)襯系統(tǒng)，具備熱特征管理能力，有一整套分布式傳感器，安裝在身體各個(gè)位置，來(lái)監(jiān)控士兵的生理情況，包括體溫、心跳、呼吸、血壓、血糖等參數(shù)，然后根據(jù)這套參數(shù)，完成適宜的操作，比如向士兵提出警告和建議、聯(lián)絡(luò)附近友軍和醫(yī)療單位，或者調(diào)解裝甲的內(nèi)部溫度等。這幾項(xiàng)功能，作為美軍單兵作戰(zhàn)系統(tǒng)的組成部分，現(xiàn)在已經(jīng)實(shí)用化了。例如溫度調(diào)節(jié)，是通過(guò)在內(nèi)襯的管路里注入冷或熱的液體來(lái)實(shí)現(xiàn)的。
除此之外，裝甲的頭盔部分還裝有小型顯示器，安裝在士兵的眼睛下方，只要向下一瞥就能看到所需的各種信息。這些信息除了士兵和裝甲系統(tǒng)自身參數(shù)，還包括來(lái)自友軍和上級(jí)的指示、消息，來(lái)自偵查設(shè)備包括衛(wèi)星傳輸?shù)臄城楹蛻?zhàn)場(chǎng)信息等。利用傳感器和全球定位系統(tǒng)(GPS)接收器，士兵可以了解有關(guān)他們正在穿越的地形信息，計(jì)算機(jī)還能找出行進(jìn)到指定位置的最佳路線。當(dāng)然，這些本來(lái)就是美軍獨(dú)立的科技模塊，只不過(guò)被集成到動(dòng)力裝甲中而已。
尚需
努力
離史塔克還差很遠(yuǎn)
在提高士兵的攻擊力方面，動(dòng)力裝甲無(wú)疑具備先天優(yōu)勢(shì)。依靠外骨骼產(chǎn)生的承載力，士兵可以攜帶更重而且威力更大的武器、更充足的彈藥、更敏銳的偵查和火控設(shè)備等，從而直接提升戰(zhàn)斗力。
此外，穿戴動(dòng)力裝甲的士兵，其操作武器可以不只是局限于兩手，還能攜帶更多的自動(dòng)裝彈設(shè)備，更靈活地切換武器的狀態(tài)。在未來(lái)，用裝甲上附加戰(zhàn)斗攻擊模塊，通過(guò)某些特殊動(dòng)作(如打個(gè)響指)的方式來(lái)操作，將使士兵更具備全方位的殺傷力。不過(guò)，目前的研究尚且停留在基礎(chǔ)外骨骼層次，畢竟只有外骨骼問(wèn)題解決了，加裝武器模塊不過(guò)是分分鐘的事。當(dāng)然，要做到電影中史塔克那種抬手放激光、踢腳出導(dǎo)彈的效果，那還差得遠(yuǎn)。
相對(duì)來(lái)說(shuō)，如何為這些機(jī)器提供能量更令人頭疼。如此力量巨大、功能齊全的設(shè)備，消耗的能量不是小數(shù)目。根據(jù)設(shè)計(jì)需要，士兵們的動(dòng)力裝甲應(yīng)該能在充滿能量之后，堅(jiān)持24個(gè)小時(shí)的運(yùn)行而不需要補(bǔ)給。
目前使用的能源裝置實(shí)在做不到這一點(diǎn)。而一旦能量耗盡，龐大的動(dòng)力裝甲將成為致命的鐵皮罐頭，穿著它的士兵寸步難行。據(jù)稱(chēng)，該系統(tǒng)曾經(jīng)使用鋰聚合物電池，但現(xiàn)在已被放棄。美軍米勒上校表示，目前該系統(tǒng)準(zhǔn)備采用的能源是一種固態(tài)氧化物燃料電池。這種電池原本在日本為建筑物供電。當(dāng)然，固體氧化物燃料電池的小型化是很難的，面臨著工作高溫的挑戰(zhàn)。
至于動(dòng)力裝甲的機(jī)動(dòng)力，也是一個(gè)老大難。在電影中，史塔克穿著動(dòng)力裝甲能夠翻山越嶺，這個(gè)當(dāng)然是幻想。如此沉重的玩意要飛上天，在新式發(fā)動(dòng)機(jī)出現(xiàn)前根本就不可能。
實(shí)際上對(duì)當(dāng)前的動(dòng)力研究來(lái)說(shuō)，如何驅(qū)使穿戴這套外骨骼模仿人類(lèi)走路，其實(shí)比讓它提起上百千克重物要難得多。畢竟后者只需要增加機(jī)械的功率，前者需要研究和實(shí)現(xiàn)許多個(gè)精細(xì)的微觀工作。通過(guò)增強(qiáng)機(jī)械力量和減少體力消耗，理論上可以讓士兵實(shí)現(xiàn)更快的速度和更持久的奔走，但前提是先要讓它學(xué)會(huì)調(diào)節(jié)平衡。據(jù)稱(chēng)，目前一種獨(dú)立開(kāi)發(fā)的放大行走器的時(shí)速可超過(guò)16千米，還能讓士兵跳得更高更遠(yuǎn)。
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